JP2010208899A - Production method of group iii nitride semiconductor single crystal and production method of group iii nitride semiconductor single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体単結晶の製造方法、及びIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法に関する。特に、本発明は、高品質なIII族窒化物半導体単結晶の製造方法、及びIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a group III nitride semiconductor single crystal and a method for producing a group III nitride semiconductor single crystal substrate. In particular, the present invention relates to a method for producing a high-quality group III nitride semiconductor single crystal and a method for producing a group III nitride semiconductor single crystal substrate.
従来、窒化ガリウム(GaN)の高速成長、多数枚成長により、複数枚のGaN基板を製造する方法、又は分厚いバルクインゴットを成長させ、成長させたバルクインゴットを切断することにより、複数枚のGaN基板を切り出す方法(以下、「バルク法」という)等が検討されている。バルク法は、C面及びC面を除く他の結晶面を有する基板を作製できる点で期待されている手法である。 Conventionally, a method of manufacturing a plurality of GaN substrates by high-speed growth of gallium nitride (GaN), growing a large number of GaN substrates, or a plurality of GaN substrates by growing a thick bulk ingot and cutting the grown bulk ingot A method of cutting out (hereinafter referred to as “bulk method”) has been studied. The bulk method is a method expected in that a substrate having a C plane and other crystal planes other than the C plane can be manufactured.
また、複数の面、すなわち、C面とC面を除く他の面とを含む種結晶を用いるGaNの製造方法として、種結晶の表面が少なくともC面を有しており、かつ、C面と直接隣接する面がM面でもA面でもないような種結晶を用いる窒化物半導体結晶の製造方法について知られている(例えば、特許文献1参照)。 Further, as a GaN manufacturing method using a seed crystal including a plurality of planes, that is, a C plane and other planes other than the C plane, the surface of the seed crystal has at least a C plane, A method for manufacturing a nitride semiconductor crystal using a seed crystal whose directly adjacent surface is neither an M-plane nor an A-plane is known (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の窒化物半導体結晶の製造方法によれば、C面に直接隣接する面がM面でもA面でもない面になるようにヤスリ等を用いて種結晶を研削するので、C面と他の面との境目への多結晶の付着を回避することができる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor crystal described in Patent Document 1, the seed crystal is ground using a file or the like so that the surface directly adjacent to the C plane is not the M plane or the A plane. Polycrystalline adhesion to the boundary between the surface and the other surface can be avoided.
また、100μm/h程度の比較的遅い結晶成長速度において、厚さ5.8mm程度、直径2インチで、クラックのないGaNインゴットを、ハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法を用いて作成できることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Further, at a relatively slow crystal growth rate of about 100 μm / h, a GaN ingot having a thickness of about 5.8 mm, a diameter of 2 inches, and no cracks is formed by using a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. It is known that it can be created (for example, see Non-Patent Document 1).
しかし、特許文献1に記載の窒化物半導体結晶の製造方法においては、研削した種結晶を用いても、初回の成長ではC面と他の面との境目への多結晶の付着を回避できない。また、研磨が困難なGaNにおいて、C面に直接隣接する面がM面でもA面でもない面になるように研削条件を変化させつつヤスリ等を用いて種結晶を研削することは困難であると共に、研削によって種結晶に機械的ダメージが残留する場合がある。そして、研削と研削後の種結晶を用いた結晶成長とを繰り返すことが要求されるので、製造コストを削減できない。 However, in the method for manufacturing a nitride semiconductor crystal described in Patent Document 1, even if a ground seed crystal is used, it is impossible to avoid the attachment of polycrystals at the boundary between the C plane and the other plane in the first growth. In addition, in GaN, which is difficult to polish, it is difficult to grind the seed crystal using a file or the like while changing the grinding conditions so that the surface directly adjacent to the C surface is neither the M surface nor the A surface. At the same time, mechanical damage may remain in the seed crystal due to grinding. And since it is required to repeat grinding and crystal growth using the seed crystal after grinding, the manufacturing cost cannot be reduced.
また、非特許文献1に記載の技術においては、100μm/hよりも結晶成長速度を上げて結晶成長を実施した場合に、成長して得られるGaNインゴット中に微細なクラックが発生して、得られるGaNインゴットの表面が荒れてしまう場合がある。 Further, in the technique described in Non-Patent Document 1, when crystal growth is performed at a crystal growth rate higher than 100 μm / h, fine cracks are generated in the GaN ingot obtained by the growth, resulting in In some cases, the surface of the GaN ingot is roughened.
したがって、本発明の目的は、結晶成長におけるクラックの発生を低減することができ、高品質なIII族窒化物半導体単結晶を高速に製造できるIII族窒化物半導体単結晶の製造方法、及びIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the occurrence of cracks in crystal growth and to produce a group III nitride semiconductor single crystal capable of producing a high-quality group III nitride semiconductor single crystal at high speed, and group III An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor single crystal substrate.
(1)本発明は、上記目的を達成するため、III族窒化物半導体からなり、単一の指数面の結晶成長面を有する種基板を準備する種基板準備工程と、結晶成長面上にIII族窒化物半導体単結晶をエピタキシャル成長させる結晶成長工程とを備え、結晶成長工程は、自発的に形成された低指数面からなる複数の結晶表面で囲みながらIII族窒化物半導体単結晶を成長させる工程であり、低指数面は、結晶面を表す個々の面指数がいずれも3以下であるIII族窒化物半導体単結晶の製造方法が提供される。 (1) In order to achieve the above object, the present invention provides a seed substrate preparation step of preparing a seed substrate made of a group III nitride semiconductor and having a single index plane crystal growth surface, and III on the crystal growth surface. A crystal growth step of epitaxially growing a group nitride semiconductor single crystal, the crystal growth step being a step of growing a group III nitride semiconductor single crystal while being surrounded by a plurality of spontaneously formed low index surfaces The low index plane is provided with a method for producing a group III nitride semiconductor single crystal in which each plane index representing a crystal plane is 3 or less.
(2)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、III族窒化物半導体は、六方晶系の窒化物半導体であり、低指数面は、指数面を{hklm}(ただし、h、k、l、mは、いずれも整数)で表した場合に、h、k、l、及びmの絶対値がいずれも3以下であることが好ましい。 (2) Further, in the above method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, the group III nitride semiconductor is a hexagonal nitride semiconductor, and the low index plane has an index plane of {hklm} (however, h , K, l and m are all integers), it is preferable that the absolute values of h, k, l and m are all 3 or less.
(3)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、複数の結晶表面は、結晶表面を表わす個々の面指数のいずれかが4以上である高指数面を含まないことが好ましい。 (3) Further, in the above method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, it is preferable that the plurality of crystal surfaces do not include a high index plane in which any one of the individual plane indices representing the crystal surface is 4 or more.
(4)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、結晶成長工程は、最大外径が15mm以上のIII族窒化物半導体単結晶をエピタキシャル成長させてもよい。 (4) In the method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, the crystal growth step may epitaxially grow a group III nitride semiconductor single crystal having a maximum outer diameter of 15 mm or more.
(5)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、結晶成長工程は、III族窒化物半導体単結晶を、結晶成長方向に沿って5mm以上エピタキシャル成長させてもよい。 (5) In the method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, the crystal growth step may epitaxially grow the group III nitride semiconductor single crystal by 5 mm or more along the crystal growth direction.
(6)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、結晶成長工程は、III族窒化物半導体単結晶を、300μm/h以上の結晶成長速度でエピタキシャル成長させてもよい。 (6) In the method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, in the crystal growth step, the group III nitride semiconductor single crystal may be epitaxially grown at a crystal growth rate of 300 μm / h or more.
(7)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、種基板準備工程は、種基板の外周の劈開により低指数面に平行な辺を有する種基板を形成してもよい。 (7) In the method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, the seed substrate preparation step may form a seed substrate having sides parallel to the low index plane by cleaving the outer periphery of the seed substrate.
(8)また、上記III族窒化物半導体単結晶の製造方法は、種基板準備工程は、種基板上にマスクを設けることにより、結晶成長面を種基板の表面の一部に限定してもよい。 (8) In the method for producing a group III nitride semiconductor single crystal, in the seed substrate preparation step, the crystal growth surface may be limited to a part of the surface of the seed substrate by providing a mask on the seed substrate. Good.
(9)また、本発明は上記目的を達成するため、上記(1)〜(8)のいずれか1つに記載のIII族窒化物半導体単結晶の製造方法により製造したIII族窒化物半導体単結晶を、結晶成長方向に垂直な面で切断してIII族窒化物半導体単結晶基板を得るIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法が提供される。 (9) Further, in order to achieve the above object, the present invention provides a group III nitride semiconductor single unit manufactured by the group III nitride semiconductor single crystal manufacturing method according to any one of the above (1) to (8). A method of manufacturing a group III nitride semiconductor single crystal substrate is provided in which a crystal is cut along a plane perpendicular to the crystal growth direction to obtain a group III nitride semiconductor single crystal substrate.
(10)また、上記III族窒化物半導体単結晶基板の製造方法は、四角形又は六角形状を有していてもよい。 (10) Moreover, the manufacturing method of the said group III nitride semiconductor single crystal substrate may have square shape or hexagonal shape.
本発明に係る窒化物半導体単結晶の製造方法によれば、結晶成長におけるクラックの発生を低減することができ、高品質なIII族窒化物半導体単結晶を高速に製造できるIII族窒化物半導体単結晶の製造方法、及びIII族窒化物半導体単結晶基板の製造方法を提供できる。 According to the method for producing a nitride semiconductor single crystal according to the present invention, generation of cracks in crystal growth can be reduced, and a group III nitride semiconductor single crystal capable of producing a high-quality group III nitride semiconductor single crystal at high speed can be achieved. A method for producing a crystal and a method for producing a group III nitride semiconductor single crystal substrate can be provided.
(III族窒化物半導体単結晶の製造方法)
図1Aは、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶の製造方法の流れの一例を示す。
(Method for producing group III nitride semiconductor single crystal)
FIG. 1A shows an example of the flow of a method for producing a group III nitride semiconductor single crystal according to an embodiment of the present invention.
(種基板準備工程:ステップ10。以下、ステップを「S」と称する)
まず、III族窒化物半導体からなる種基板を準備する。本実施の形態に係る種基板は、実質的に単一の指数面の結晶成長面を有する基板である。例えば、種基板上にC軸方向に沿ってIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合、種基板としては、C面を有するIII族窒化物半導体単結晶基板を用いる。なお、本実施の形態においては、III族窒化物半導体として、六方晶系の窒化物半導体であるGaNを例にして説明する。
(Seed Substrate Preparation Step:
First, a seed substrate made of a group III nitride semiconductor is prepared. The seed substrate according to the present embodiment is a substrate having a substantially single index plane crystal growth surface. For example, when a group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the seed substrate along the C-axis direction, a group III nitride semiconductor single crystal substrate having a C plane is used as the seed substrate. In this embodiment, GaN, which is a hexagonal nitride semiconductor, will be described as an example of the group III nitride semiconductor.
より具体的に本実施の形態においては、例えば円形状のGaN基板をまず準備して、このGaN基板の外周を劈開することにより、側面に劈開面を有する種基板を作製する。すなわち、GaN基板の外周を劈開することにより、種基板は、低指数面の結晶成長面を有すると共に、結晶成長面の外周が低指数面に平行な辺を有することになる。そして、この種基板の主面である表面が、GaNがホモエピタキシャル成長する結晶成長面になる。なお、GaN基板の劈開により得られる種基板の形状は、各辺が低指数面に平行な辺である多角形状になる。 More specifically, in the present embodiment, for example, a circular GaN substrate is first prepared, and the outer periphery of the GaN substrate is cleaved to produce a seed substrate having a cleaved surface on the side surface. That is, by cleaving the outer periphery of the GaN substrate, the seed substrate has a crystal growth surface with a low index surface, and the outer periphery of the crystal growth surface has a side parallel to the low index surface. The surface that is the main surface of the seed substrate becomes a crystal growth surface on which GaN is homoepitaxially grown. The shape of the seed substrate obtained by cleaving the GaN substrate is a polygonal shape in which each side is a side parallel to the low index plane.
また、GaN基板を劈開せずに、GaN基板上に所定形状の開口を有するマスクを重ね、マスクを重ねた状態のGaN基板を種基板にすることもできる。この場合、マスクの開口は、GaNの低指数面(但し、結晶成長面は除く)に平行な辺を少なくとも有する形状にする。なお、開口を有するマスクをGaN基板に重ねることにより、GaN基板の表面の一部に限定的にGaNが成長することになる。すなわち、マスクは、GaN基板の結晶成長面をGaN基板の表面の一部に限定することになる。 Further, without cleaving the GaN substrate, a mask having an opening having a predetermined shape can be overlaid on the GaN substrate, and the GaN substrate with the mask overlaid can be used as a seed substrate. In this case, the opening of the mask has a shape having at least a side parallel to the low index surface of GaN (excluding the crystal growth surface). Note that, by overlapping a mask having an opening on the GaN substrate, GaN grows in a limited manner on a part of the surface of the GaN substrate. That is, the mask limits the crystal growth surface of the GaN substrate to a part of the surface of the GaN substrate.
ここで、本実施の形態において低指数面とは、指数面を{hklm}(ただし、h、k、l、mは、いずれも整数)で表した場合に、結晶面を表す個々の面指数、すなわち、ミラー指数h、k、l、及びmの絶対値がいずれも3以下である指数面を指す。例えば、低指数面は、C面、M面、A面、{10−1x}面(但し、x=1、2、又は3)、{11−2y}面(但し、y=1、2、又は3)等である。 Here, in the present embodiment, the low index plane is an individual plane index representing a crystal plane when the index plane is represented by {hklm} (where h, k, l, and m are integers). That is, it refers to an exponential surface in which the absolute values of Miller indices h, k, l, and m are all 3 or less. For example, the low index plane is C plane, M plane, A plane, {10-1x} plane (where x = 1, 2, or 3), {11-2y} plane (where y = 1, 2, Or 3) etc.
更に、種基板としては、本実施の形態において製造したGaNインゴットを切断、又はスライスして得られるGaN基板を用いることもできる。この場合、後述するように本実施の形態において製造されるGaNインゴットは、結晶成長によって自発的に形成される低指数面を有する多面体形状を呈する。このような多面体形状のGaNインゴットを切断、又はスライスしてGaN基板を得ることができる。得られたGaN基板は、次回以降の結晶成長の種基板として用いることができる。また、この場合、当該GaN基板についても劈開を施すか、又はマスクを重ねて種基板として用いることができる。なお、種基板は、円形状を有する場合には、直径を15mm以上にすることが好ましく、多角形状を有する場合には、外接円の直径を15mm以上にすることが好ましい。 Furthermore, as the seed substrate, a GaN substrate obtained by cutting or slicing the GaN ingot manufactured in the present embodiment can also be used. In this case, as will be described later, the GaN ingot manufactured in the present embodiment exhibits a polyhedral shape having a low index surface formed spontaneously by crystal growth. A GaN substrate can be obtained by cutting or slicing such a polyhedral GaN ingot. The obtained GaN substrate can be used as a seed substrate for subsequent crystal growth. In this case, the GaN substrate can also be cleaved or used as a seed substrate by overlaying a mask. When the seed substrate has a circular shape, the diameter is preferably 15 mm or more. When the seed substrate has a polygonal shape, the diameter of the circumscribed circle is preferably 15 mm or more.
(結晶成長工程:S20)
次に、種基板の主面、すなわち、種基板の低指数面である結晶成長面のみを露出させ、結晶成長面上にGaN単結晶をホモエピタキシャル成長させる。結晶成長には、例えば、ハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法を用いることができる。HVPE法により、種基板の結晶成長面上に、結晶成長によって自発的に形成される低指数面で囲まれたGaNインゴットが形成される。つまり、上述したような特定の種基板を用いて結晶成長することにより、種基板上に4以上のミラー指数を含む指数面を有するGaNインゴットの成長を抑制できるので、得られるGaNインゴットは、低指数面で囲まれたGaNインゴットになる。
(Crystal growth process: S20)
Next, only the main surface of the seed substrate, that is, the crystal growth surface which is the low index surface of the seed substrate is exposed, and a GaN single crystal is homoepitaxially grown on the crystal growth surface. For crystal growth, for example, a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method can be used. By the HVPE method, a GaN ingot surrounded by a low index surface that is spontaneously formed by crystal growth is formed on the crystal growth surface of the seed substrate. That is, by growing a crystal using a specific seed substrate as described above, growth of a GaN ingot having an index plane including a mirror index of 4 or more can be suppressed on the seed substrate. It becomes a GaN ingot surrounded by an exponential surface.
ここで、形成するGaNインゴットの最大外径は、15mm以上が好ましく、25mm以上がより好ましく、50mm以上が更に好ましい。そして、GaNインゴットの長さ、すなわち、結晶成長面上の結晶成長方向における単結晶の厚さは、5mm以上が好ましく、10mm以上がより好ましく、20mm以上が更に好ましい。また、本実施の形態において結晶成長の結晶成長速度は、300μm/h以上が好ましく、500μm/h以上がより好ましく、1000μm/h以上が更に好ましい。 Here, the maximum outer diameter of the GaN ingot to be formed is preferably 15 mm or more, more preferably 25 mm or more, and further preferably 50 mm or more. The length of the GaN ingot, that is, the thickness of the single crystal in the crystal growth direction on the crystal growth surface is preferably 5 mm or more, more preferably 10 mm or more, and further preferably 20 mm or more. In the present embodiment, the crystal growth rate of crystal growth is preferably 300 μm / h or more, more preferably 500 μm / h or more, and still more preferably 1000 μm / h or more.
また、本実施の形態においては、種基板の形態に工夫を施すと共に結晶成長の方向がC軸方向の場合には、GaNインゴットの側面部分(つまり、結晶成長の方向と異なる方向に法線が向いている面)に、{10−1x}面(但し、x=0、1、2、3)、又は{11−2y}面(但し、y=0、1、2、3)を形成することができる。更に、本実施の形態においては、種基板の形態に工夫を施すと共に結晶成長の方向がM軸方向の場合には、GaNインゴットの側面部分に、{0001}面又は{10−1x}面(但し、x=0、1、2、3)、及びA面を形成することもできる。そして、本実施の形態においては、種基板の形態に工夫を施すと共に結晶成長の方向がA軸方向の場合には、GaNインゴットの側面部分に、{0001}面又は{11−2y}面(但し、y=0、1、2、3)、又はM面を形成することもできる。 Further, in the present embodiment, when the seed substrate is devised and the crystal growth direction is the C-axis direction, the side surface portion of the GaN ingot (that is, the normal line is different from the crystal growth direction). The {10-1x} plane (where x = 0, 1, 2, 3) or {11-2y} plane (where y = 0, 1, 2, 3) is formed on the facing surface. be able to. Further, in the present embodiment, when the seed substrate is devised and the crystal growth direction is the M-axis direction, the {0001} plane or {10-1x} plane ( However, x = 0, 1, 2, 3) and the A plane can also be formed. In the present embodiment, when the seed substrate is devised and the crystal growth direction is the A-axis direction, the {0001} plane or {11-2y} plane ( However, it is also possible to form y = 0, 1, 2, 3) or an M plane.
このようにして得られたGaNインゴットは、結晶成長時の微細クラックの発生が抑制された高品質のGaNインゴットである。 The GaN ingot thus obtained is a high-quality GaN ingot in which generation of fine cracks during crystal growth is suppressed.
(切断工程:S30)
そして、結晶成長工程後に得られるGaNインゴットを切断、スライスすることにより、III族窒化物半導体単結晶のウエハ(すなわち、基板)を製造することができる。例えば、GaNインゴットを、結晶成長方向に垂直な面でスライスすることにより、六角形又は四角形の基板を得ることができる。なお、基板の形態は、基板の外周を劈開することにより調整できる。そして、GaNインゴットのスライスにより得られる基板は、基板の主面の面積が1cm2以上が好ましく、20cm2以上がより好ましい。
(Cutting step: S30)
Then, by cutting and slicing the GaN ingot obtained after the crystal growth step, a group III nitride semiconductor single crystal wafer (that is, a substrate) can be manufactured. For example, a hexagonal or square substrate can be obtained by slicing a GaN ingot in a plane perpendicular to the crystal growth direction. Note that the form of the substrate can be adjusted by cleaving the outer periphery of the substrate. The substrate obtained by slicing the GaN ingot preferably has an area of the main surface of the substrate of 1 cm 2 or more, and more preferably 20 cm 2 or more.
このようにして得られた本実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶基板は、高品質なGaNインゴットを切断して得られるので、高品質なGaN基板になる。 The group III nitride semiconductor single crystal substrate according to the present embodiment thus obtained is obtained by cutting a high-quality GaN ingot, so that it becomes a high-quality GaN substrate.
(本発明者が得た知見)
なお、上記のように低指数面で囲まれたGaNインゴットを形成することにより、高品質のIII族窒化物半導体単結晶基板を得ることができるのは、発明者が得た以下の知見に基づくものである。
(Knowledge obtained by the inventor)
It is to be noted that a high-quality group III nitride semiconductor single crystal substrate can be obtained by forming a GaN ingot surrounded by a low index surface as described above based on the following knowledge obtained by the inventors Is.
(知見1:晶癖面[habit face]の出現について)
一般的に、発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)、レーザーダイオード(Laser Diode:LD)等の発光素子のデバイスエピタキシャル成長用の基板は円形又は矩形であることが多いので、インゴットの成長もまた、円形又は矩形の種基板が用いられている。しかしながら、結晶成長の進行に伴い成長した結晶の厚さの増加に応じて、成長結晶の側面に徐々に特定の結晶面が発達する。この結晶面は「晶癖面」と呼ばれる。
(Knowledge 1: Appearance of habit face)
In general, since a substrate for device epitaxial growth of a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (Laser Diode: LD) is often circular or rectangular, the growth of an ingot is also circular. Alternatively, a rectangular seed substrate is used. However, as the thickness of the grown crystal increases with the progress of crystal growth, a specific crystal plane gradually develops on the side surface of the grown crystal. This crystal plane is called the “crystal habit plane”.
具体的にどのような指数面が晶癖面として発達するかは、結晶成長する結晶の結晶構造の対称性、及び成長条件等によって変化する。例えば、所定の条件下で六方晶系のGaNの円形基板(結晶成長面をC面とする)を種基板として用い、結晶成長面上、C軸方向に沿って結晶を成長させると、結晶成長前は円形であった基板の外周の六か所に、等間隔に平坦な{10−11}面が発達し始める。更に結晶成長を継続すると、結晶の側面は6つの{10−11}面のみが形成される。その後、更に結晶成長を継続すると、{10−11}面の下に{10−10}の直胴部が形成される場合もある。すなわち、この場合、六角形の単結晶が形成される。これは、結晶にはその結晶構造と成長条件とによって決定されるエネルギー的に最も安定な形状があり、当該形状の断面形状とは異なる形状の種結晶を用いても、結晶成長により形成される成長結晶は安定な形状を有するようになるという知見を本発明者は得た。 Specifically, what index plane develops as a crystal habit plane varies depending on the symmetry of the crystal structure of the crystal to grow and the growth conditions. For example, when a crystal is grown along the C-axis direction on the crystal growth surface using a hexagonal GaN circular substrate (with the crystal growth surface being the C plane) as a seed substrate under predetermined conditions, Flat {10-11} planes at equal intervals begin to develop at six locations on the outer periphery of the substrate that was previously circular. When the crystal growth is further continued, only six {10-11} planes are formed on the side surface of the crystal. Thereafter, when crystal growth is further continued, a {10-10} straight body portion may be formed under the {10-11} plane. That is, in this case, a hexagonal single crystal is formed. This is because the crystal has the most stable shape in terms of energy determined by its crystal structure and growth conditions, and it is formed by crystal growth even if a seed crystal having a shape different from the cross-sectional shape of the shape is used. The present inventor has obtained the knowledge that the grown crystal has a stable shape.
(知見2:クラック出現位置について)
ここで、「知見1」において述べたインゴットでは、エネルギー的に安定な6つの低指数面である{10−11}面の間に、エネルギー的に不安定な高指数面が存在しており、この高指数面付近に微細クラックが生じていた。これは、結晶成長して得られるインゴット中に発生する微細クラックは、インゴットの全周に均一に発生するわけではなく、インゴットの側面付近に発生することを示している。
(Knowledge 2: Crack appearance position)
Here, in the ingot described in “Knowledge 1”, there are energetically unstable high index surfaces between the {10-11} planes, which are six energetically stable low index surfaces, Fine cracks occurred in the vicinity of the high index surface. This indicates that the fine cracks generated in the ingot obtained by crystal growth do not occur uniformly around the entire circumference of the ingot, but occur near the side surface of the ingot.
すなわち、微細クラックの発生は、インゴット周辺部のエネルギー的に不安定な高指数面の存在に密接に関係していることを示す。微細クラックの発生の詳細なメカニズムは現段階では自明ではないものの、結晶成長の初期段階から当該結晶成長の結晶成長条件においてエネルギー的に安定な形状である低指数面で囲まれたインゴットが成長される条件で結晶成長を実施すれば、微細クラックの発生を抑制できるという知見を本発明者は得た。 That is, it is shown that the occurrence of fine cracks is closely related to the presence of high index surfaces that are energetically unstable around the ingot. Although the detailed mechanism of the occurrence of microcracks is not obvious at this stage, an ingot surrounded by a low index surface, which is an energetically stable shape under the crystal growth conditions of the crystal growth, has grown from the initial stage of crystal growth. The present inventor has obtained the knowledge that the generation of fine cracks can be suppressed if crystal growth is carried out under such conditions.
なお、上述のとおり、本実施の形態において六方晶系GaNにおいて低指数面は、{0001}面(つまり、C面)、{10−10}面(つまり、M面)、{11−20}面(つまり、A面)、{10−1x}面(但し、x=1、2、3)、{11−2y}面(但し、y=1、2、3)等である。本発明者が様々な指数面について検討したところ、x、yが4以上の指数面を有するインゴットの場合、x、yが4以上のミラー指数を含む指数面の近傍でクラックが発生しやすい傾向がある知見を得た。 As described above, in the present embodiment, in the hexagonal GaN, the low index plane is {0001} plane (that is, C plane), {10-10} plane (that is, M plane), {11-20} Plane (that is, plane A), {10-1x} plane (where x = 1, 2, 3), {11-2y} plane (where y = 1, 2, 3), and the like. When the present inventor examined various index surfaces, in the case of an ingot having an index surface where x and y are 4 or more, cracks tend to be generated in the vicinity of an index surface including a Miller index where x and y are 4 or more. I got some knowledge.
そして、エネルギー的に安定な形状である低指数面で囲まれたインゴットを成長する条件としては、具体的に以下の方法を採用することができる。すなわち、結晶成長するインゴットとして、C面を主面とするGaNインゴットを成長する場合は、上述のいずれかの低指数面で囲まれた六角形の種基板を用いる方法がある。又は、成長すべきGaNインゴットの直径よりも大きい直径の主面をもつ種結晶に、その主面よりも小さい六角形、又は長方形の四隅を斜めに切り落とした形状の窓を有するマスクを重ね、この状態でエピタキシャル成長を実施する方法がある。 As a condition for growing an ingot surrounded by a low index surface that is an energetically stable shape, the following method can be specifically adopted. That is, when growing a GaN ingot having a C-plane as a main surface as an ingot for crystal growth, there is a method of using a hexagonal seed substrate surrounded by any one of the low index surfaces described above. Or, a seed crystal having a major surface with a diameter larger than the diameter of the GaN ingot to be grown is overlaid with a mask having a window having a shape in which four corners of a hexagon or rectangle smaller than the major surface are cut off obliquely. There is a method of performing epitaxial growth in a state.
なお、例えば、微小な六角形の開口(例えば、直径がμmオーダーの大きさの開口)を有するマスクを用い、低指数面で囲まれたGaN(すなわち、ファセット面で囲まれた結晶)をミクロレベルにおいて形成する場合、開口形状にかかわらず、低指数面に囲まれた結晶(例えば、六角錘の形状を呈する)が自然に形成される。これは、本実施の形態のような大型のインゴットを形成する場合とは大きく異なり、形成される結晶の形状が結晶構造、成長条件等によって支配されているものである。 For example, using a mask having a minute hexagonal opening (for example, an opening having a diameter on the order of μm), GaN surrounded by a low index plane (that is, a crystal surrounded by a facet plane) is micronized. When formed at the level, a crystal surrounded by a low index plane (for example, a hexagonal pyramid shape) is naturally formed regardless of the opening shape. This is very different from the case of forming a large ingot as in this embodiment, and the shape of the formed crystal is governed by the crystal structure, growth conditions, and the like.
より詳細には、以下のとおりである。まず、結晶は、同じ体積であれば、なるべく表面エネルギーの小さい形態をとろうとする。すなわち、結晶成長においては、高指数面より小さい表面エネルギーを有する低指数面によって囲まれる方が、結晶にとって有利になる。したがって、例えば、c軸方向にGaNを結晶成長する場合、仮にμmオーダーの大きさの円形の開口を有するマスクを種基板上に重ねて結晶成長を開始したとしても、成長する結晶の側面形状は六面体になる。なお、具体的に側面に露出する指数面は、結晶成長条件によって変化する。これは、結晶成長において大きく発達するのは、相対的に成長速度の小さい面であり、いずれの指数面の成長速度が他の指数面の成長速度より小さくなるかは成長条件によって変化するからである。 In more detail, it is as follows. First, if the crystals have the same volume, they try to take a form with as little surface energy as possible. That is, in crystal growth, it is advantageous for a crystal to be surrounded by a low index surface having a surface energy smaller than that of a high index surface. Therefore, for example, when crystal growth of GaN in the c-axis direction, even if a mask having a circular opening with a size on the order of μm is overlapped on the seed substrate and crystal growth is started, the side shape of the crystal to be grown is Becomes a hexahedron. It should be noted that the index plane exposed specifically on the side surface varies depending on the crystal growth conditions. This is because the growth rate of crystal growth is a surface with a relatively low growth rate, and the growth rate of which index surface is smaller than the growth rate of other index surfaces depends on the growth conditions. is there.
例えば、c軸方向にGaNを成長する場合、V/III比が高い条件、成長温度が低い条件、又はH2分圧が大きい条件下では、結晶成長するインゴットの側面は、種基板の主面の法線方向から傾く傾向がある。また、ミクロレベルの結晶成長においてクラックが発生するようなストレスが実質的に成長結晶中に蓄積しない理由は、成長する成長結晶のサイズが小さく、成長結晶の体積に比べて表面積が大きいことに起因する点も挙げられる。すなわち、結晶の体積はその直径の3乗に比例すると共に表面積は2乗に比例するから、結晶のサイズが小さくなるほど、結晶の体積に比して表面積の割合が大きくなるので、クラックが発生するようなストレスは実質的に成長結晶中に蓄積しない。これにより、ミクロレベルの結晶成長においては、結晶成長の過程でクラックは実質的に発生しない。 For example, when GaN is grown in the c-axis direction, the side surface of the ingot on which the crystal grows under the condition where the V / III ratio is high, the growth temperature is low, or the H 2 partial pressure is large is There is a tendency to tilt from the normal direction. The reason why stress that causes cracks in micro-level crystal growth does not accumulate in the grown crystal is that the size of the growing crystal is small and the surface area is large compared to the volume of the growing crystal. There are also points to do. That is, since the volume of the crystal is proportional to the cube of its diameter and the surface area is proportional to the square, the smaller the size of the crystal, the greater the proportion of the surface area relative to the volume of the crystal, thus causing cracks. Such stress does not substantially accumulate in the grown crystal. Thereby, in micro level crystal growth, cracks are not substantially generated in the process of crystal growth.
一方、mmオーダーのサイズを有する大型結晶の場合、最終的に得られるインゴットの形状は成長条件によって支配されるものの、その形状は即座には形成されない。例えば、円形基板を種基板として用いた場合には、結晶成長の進行に伴って成長する結晶は徐々に六角形に近づく。しかしながら、結晶成長を続けて厚い結晶を成長した場合であっても、高指数面はなかなか消失しないので、得られるインゴットの断面形状は略円形である。 On the other hand, in the case of a large crystal having a size on the order of mm, the shape of the ingot finally obtained is governed by the growth conditions, but the shape is not formed immediately. For example, when a circular substrate is used as a seed substrate, a crystal that grows as the crystal grows gradually approaches a hexagon. However, even when the crystal growth is continued and a thick crystal is grown, the high index plane does not readily disappear, and thus the cross-sectional shape of the obtained ingot is approximately circular.
インゴットの側面を、最終的に低面指数のファセット面で囲むには、ファセット面の指数にもよるが、種基板の直径程度の厚さまで結晶成長することを要する。例えば、直径が2インチの種基板を用いた場合、2インチ程度の厚さにまで結晶成長しなければ低指数面で囲まれたインゴットは得られない。しかしながら、インゴットの側面に高指数面が存在したままで、結晶成長を継続した場合、結晶成長の途中でインゴット中にクラックが生じてしまうという知見を本発明者は得た。そこで、種基板の直径と種基板上に結晶成長するインゴット中にクラックが生じ始める厚さとの関係を調査した。 In order to finally surround the side surface of the ingot with the facet surface having a low surface index, it is necessary to grow the crystal to a thickness about the diameter of the seed substrate, depending on the index of the facet surface. For example, when a seed substrate having a diameter of 2 inches is used, an ingot surrounded by a low index plane cannot be obtained unless the crystal is grown to a thickness of about 2 inches. However, the present inventor has found that when crystal growth is continued while a high index surface is present on the side surface of the ingot, cracks are generated in the ingot during the crystal growth. Therefore, the relationship between the diameter of the seed substrate and the thickness at which cracks begin to occur in the ingot that grows crystals on the seed substrate was investigated.
図1Bは、種基板上に結晶成長するインゴット中にクラックが生じ始める厚さと種基板の直径との関係を示す。 FIG. 1B shows the relationship between the thickness of the seed substrate and the thickness at which cracks begin to occur in the ingot that grows crystals on the seed substrate.
種基板の形状が円形の場合、例えば、直径75mmの種基板を用いた場合には、成長結晶が2.5mm程度の厚さになると成長結晶中に細かいクラックが発生した。クラックの発生した厚さでは、結晶の周囲六か所に{10−11}面が次第に発達してきてはいたものの、高指数面がかなり残留していた。 When the shape of the seed substrate is circular, for example, when a seed substrate having a diameter of 75 mm is used, fine cracks are generated in the grown crystal when the grown crystal has a thickness of about 2.5 mm. At the thickness at which the crack occurred, although the {10-11} plane had gradually developed at six locations around the crystal, the high index plane remained considerably.
そして、種基板の直径を小さくしていくと、クラックの発生し始める厚さは急激に増大した。直径15mmより小さい種基板を用いた場合は、調査した厚さの範囲、すなわち、20mm以下ではクラックは生じなかった。直径が15mmより小さい種基板の場合は、結晶成長の途中でインゴット側面の高指数面が略消失して、インゴットは、周囲が{10−11}面で囲まれた六角形状に変化していた。 And as the diameter of the seed substrate was reduced, the thickness at which cracks began to occur increased rapidly. When a seed substrate having a diameter of less than 15 mm was used, cracks did not occur in the investigated thickness range, that is, 20 mm or less. In the case of a seed substrate having a diameter smaller than 15 mm, the high index surface of the ingot side surface substantially disappeared during the crystal growth, and the ingot changed to a hexagonal shape surrounded by a {10-11} plane. .
一方、本実施の形態のように、低指数面の発達を促進すべく、成長されるインゴットの種基板表面に平行な断面における断面形状が六角形になるように種基板上にマスクを設置した場合には、調査した厚さの範囲では、いずれの直径においてもクラックを生じることはなかった。つまり、15mm程度より小さい直径のインゴットを、クラックを発生させることなく厚く成長することは比較的容易であるが、直径が15mmよりも大型のインゴットではそうではないという知見が得られた。したがって、インゴット中にクラックを発生させることなく大型のインゴットを形成するには、インゴットの低指数面の形成を促進させ、インゴットにストレスが蓄積して割れに至る前に高指数面を消失させることが非常に有効であるという知見が得られた。 On the other hand, as in this embodiment, in order to promote the development of the low index surface, a mask was placed on the seed substrate so that the cross-sectional shape in the cross section parallel to the seed substrate surface of the ingot to be grown becomes a hexagon. In some cases, cracks did not occur at any diameter within the range of thicknesses investigated. That is, it has been found that it is relatively easy to grow an ingot having a diameter smaller than about 15 mm thick without generating cracks, but this is not the case with an ingot having a diameter larger than 15 mm. Therefore, to form a large ingot without generating cracks in the ingot, promote the formation of a low index surface of the ingot and eliminate the high index surface before stress accumulates in the ingot and leads to cracking Was found to be very effective.
(知見3:結晶成長速度について)
本実施の形態においては、種基板として、実質的に単一の指数面からなる種基板を用いる。例えば、C軸方向に結晶成長する場合には、C面だけの種基板を用いる。換言すれば、種基板はC面を除く他の面を有さない。そして、本実施の形態においては、上述したような工夫を種基板に施した上で種基板上にGaNをホモエピタキシャル成長させることにより、インゴットの側面に側面ファセットを自発的に形成させる。これは、例えば、インゴットを研削してインゴットの側面にファセット面を形成する場合と異なり、インゴットに研削ダメージが生じることがない。また、ファセット面を自発的に形成させているので形成されるファセット面の面精度は厳密に正確である。したがって、本実施の形態においては、結晶成長によって多結晶がインゴットの側面等に付着することがない。これにより、本実施の形態においては、インゴットに加工を施した後に加工を施したインゴットを用いて結晶成長を実施するようなプロセスを採用することを要さない。
(Knowledge 3: Crystal growth rate)
In the present embodiment, a seed substrate having a substantially single index surface is used as the seed substrate. For example, when the crystal is grown in the C-axis direction, a seed substrate having only the C plane is used. In other words, the seed substrate has no other surface except the C surface. In the present embodiment, side facets are spontaneously formed on the side surface of the ingot by applying the above-described device to the seed substrate and then homoepitaxially growing GaN on the seed substrate. This is different from the case where, for example, the ingot is ground to form a facet surface on the side surface of the ingot, the grinding damage does not occur in the ingot. Further, since the facet surface is spontaneously formed, the surface accuracy of the formed facet surface is strictly accurate. Therefore, in the present embodiment, the polycrystal does not adhere to the side surface or the like of the ingot due to crystal growth. Thereby, in this Embodiment, it is not necessary to employ | adopt the process of implementing crystal growth using the ingot which processed after processing an ingot.
また、側面にファセット面が自発的に形成されたインゴットをHVPE炉からいったん取り出して、取り出したインゴットを次に結晶成長する場合における種結晶として用いることもできる。この場合においても、当該種結晶を用いれば、断面円形のインゴットを加工して多面体にする場合に比べて、高品質なインゴットが得られる。更に、本実施の形態によれば、高速な結晶成長速度の結晶成長を実現できる。通常、結晶成長速度が大きくなると、すなわち、原料の過飽和度が大きくなると、結晶成長によって得られる結晶が多結晶化しやすいが、本実施の形態によるIII族窒化物半導体単結晶の製造方法によれば、300μm/h以上の結晶成長速度であっても、多結晶が異常発生することはないことを確認した。 In addition, an ingot having a facet surface formed spontaneously on the side surface can be taken out from the HVPE furnace, and the taken out ingot can be used as a seed crystal for subsequent crystal growth. Even in this case, if the seed crystal is used, a high-quality ingot can be obtained as compared with a case where an ingot having a circular cross section is processed into a polyhedron. Furthermore, according to the present embodiment, crystal growth at a high crystal growth rate can be realized. Normally, when the crystal growth rate is increased, that is, when the supersaturation degree of the raw material is increased, the crystal obtained by crystal growth is likely to be polycrystallized. Even when the crystal growth rate is 300 μm / h or more, it was confirmed that polycrystals do not occur abnormally.
(知見4:インゴットの最大外径について)
本実施の形態においては、結晶成長により得られるインゴットの最大外径を15mm以上にすることが好ましく、25mm以上にすることがより好ましく、50mm以上にすることが更に好ましい。これは、インゴットの直径が大きいほど、インゴット外周部分の影響を低減できるからである。すなわち、成長結晶にとって外周部分は、結晶成長条件の乱れを伴い易い部分であり、他の部分に比べて欠陥密度及び残留応力が大きくなりやすい。したがって、低指数面で囲まれるようなインゴットであっても、インゴット全体に占める外周部分の割合は少ない方が好ましい。
(Knowledge 4: About the maximum outer diameter of the ingot)
In the present embodiment, the maximum outer diameter of the ingot obtained by crystal growth is preferably 15 mm or more, more preferably 25 mm or more, and further preferably 50 mm or more. This is because the influence of the outer periphery of the ingot can be reduced as the diameter of the ingot increases. That is, the outer peripheral portion of the grown crystal is likely to be accompanied by disturbance of crystal growth conditions, and the defect density and residual stress are likely to be larger than other portions. Therefore, even if the ingot is surrounded by a low index surface, it is preferable that the ratio of the outer peripheral portion in the entire ingot is small.
図1Cは、インゴットの直径と有効面積比との関係を示す。 FIG. 1C shows the relationship between the ingot diameter and the effective area ratio.
図1Cに示すように、インゴットの直径を15mm以上にすると、有効面積比が80%以上になることがわかる。すなわち、インゴットの表面積は半径の2乗に比例すると共に、外周長は半径に比例するので、単位面積あたりの外周長はインゴットの半径に反比例して小さくなる。外周の影響が及ぶ幅は、結晶成長条件等にも依存するものの、概ね0.5mm以下である。この場合、インゴットの直径を15mm以上にすることで、80%を大きく越える有効面積比を得ることができるという知見を本発明者は得た。ただし、有効面積比は、外周部分の影響の及ばない高品質領域の割合をいう。 As shown in FIG. 1C, it can be seen that when the diameter of the ingot is 15 mm or more, the effective area ratio is 80% or more. That is, since the surface area of the ingot is proportional to the square of the radius and the outer peripheral length is proportional to the radius, the outer peripheral length per unit area decreases in inverse proportion to the radius of the ingot. The width affected by the outer periphery is approximately 0.5 mm or less, although it depends on crystal growth conditions and the like. In this case, the present inventor has found that an effective area ratio greatly exceeding 80% can be obtained by setting the diameter of the ingot to 15 mm or more. However, the effective area ratio refers to the ratio of the high quality region that is not affected by the outer peripheral portion.
(知見5:インゴット(成長結晶)の厚さについて)
本実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶の製造方法においては、製造される単結晶、すなわちインゴットの結晶成長方向の厚さを、結晶性を改善することを目的として、5mm以上にすることが好ましく、10mm以上にすることがより好ましく、20mm以上にすることが更に好ましい。すなわち、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶の製造方法においては、結晶成長中にインゴットに多結晶が付着することがないので、多結晶の付着に基づくピット、クラックの発生がなく、厚さを厚くすることに応じて単調に結晶性を改善することができる。
(Knowledge 5: About the thickness of the ingot (growth crystal))
In the method for manufacturing a group III nitride semiconductor single crystal according to the present embodiment, the thickness of the manufactured single crystal, that is, the ingot in the crystal growth direction is set to 5 mm or more for the purpose of improving crystallinity. It is preferably 10 mm or more, more preferably 20 mm or more. That is, in the method for manufacturing a group III nitride semiconductor single crystal according to the present embodiment, polycrystal does not adhere to the ingot during crystal growth, so there is no generation of pits and cracks due to polycrystal adhesion. The crystallinity can be improved monotonously as the thickness is increased.
つまり、インゴットの結晶性の良し悪しは結晶成長条件に依存する場合もあるものの、インゴットの厚さを略5mm以上になるまで結晶成長を継続することにより、得られるインゴットの結晶性を大きく改善できる。例えば、転位密度3×106cm−2の種基板上にGaNをホモエピタキシャル成長した場合における、成長結晶厚(以下、「エピ厚」という)と転位密度との関係を示す。 That is, the crystallinity of the ingot obtained can be greatly improved by continuing the crystal growth until the thickness of the ingot becomes approximately 5 mm or more, although the crystallinity of the ingot may depend on the crystal growth conditions. . For example, the relationship between the growth crystal thickness (hereinafter referred to as “epi thickness”) and the dislocation density when GaN is homoepitaxially grown on a seed substrate having a dislocation density of 3 × 10 6 cm −2 is shown.
図1Dは、転位密度3×106cm−2の種基板上にGaNをホモエピタキシャル成長した場合におけるエピ厚と転位密度との関係を示す。 FIG. 1D shows the relationship between epi thickness and dislocation density when GaN is homoepitaxially grown on a seed substrate having a dislocation density of 3 × 10 6 cm −2 .
インゴット中の転位密度はエピ厚の増加に従って単調に減少した。例えば、エピ厚を5mm以上にすることで、転位密度を1×106cm−2以下にすることができる。なお、光ディスクの書き込み用途では、転位密度を1x106cm−2未満にすることが要求されている。そして、エピ厚を5mm以上にすることで、得られるインゴットをスライスすることにより複数枚の基板を得ることができる。 The dislocation density in the ingot monotonously decreased with increasing epi thickness. For example, by setting the epi thickness to 5 mm or more, the dislocation density can be set to 1 × 10 6 cm −2 or less. For optical disc writing applications, the dislocation density is required to be less than 1 × 10 6 cm −2 . A plurality of substrates can be obtained by slicing the resulting ingot by setting the epi thickness to 5 mm or more.
(変形例)
本実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶としては、本実施の形態のGaNに限らず、窒化アルミニウム(AlN)等のIII族窒化物半導体、又は窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)等のIII族窒化物半導体の混晶を用いることもできる。
(Modification)
The group III nitride semiconductor single crystal according to the present embodiment is not limited to GaN of the present embodiment, but a group III nitride semiconductor such as aluminum nitride (AlN), indium gallium nitride (InGaN), or gallium aluminum nitride. A mixed crystal of a group III nitride semiconductor such as (AlGaN) can also be used.
また、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶は、HVPE法でエピタキシャル成長させたが、フラックス法、アモノサーマル法等の他の結晶成長方法を用いることもできる。 In addition, the group III nitride semiconductor single crystal according to the present embodiment is epitaxially grown by the HVPE method, but other crystal growth methods such as a flux method and an ammonothermal method can also be used.
(実施の形態の効果)
本実施の形態に係るIII族窒化物半導体単結晶の製造方法によれば、III族窒化物半導体単結晶のインゴット成長において、低指数面で囲まれたインゴットが種基板上に形成されるように種基板を劈開、又はマスクを重ねるので、得られるインゴット中における微細クラックの発生を大幅に低減できると共に、高い品質を有する長尺のインゴットを得ることができる。そして、このようなインゴットを切断、スライスすることにより、高品質のIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
(Effect of embodiment)
According to the group III nitride semiconductor single crystal manufacturing method according to the present embodiment, the ingot surrounded by the low index plane is formed on the seed substrate in the ingot growth of the group III nitride semiconductor single crystal. Since the seed substrate is cleaved or the mask is stacked, generation of fine cracks in the obtained ingot can be greatly reduced, and a long ingot having high quality can be obtained. A high-quality group III nitride semiconductor substrate can be obtained by cutting and slicing such an ingot.
図2A及び図2Bは、本発明の実施例1に係るIII族窒化物半導体基板の製造の流れの概要を示す。 2A and 2B show an outline of the flow of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate according to Example 1 of the present invention.
実施例1に係るIII族窒化物半導体単結晶基板は、所定の窒化物半導体基板を劈開することにより種基板を形成した後、当該種基板のC軸方向に沿ってIII族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させて得られたインゴットのスライスにより製造した。 In the group III nitride semiconductor single crystal substrate according to Example 1, a seed substrate is formed by cleaving a predetermined nitride semiconductor substrate, and then the group III nitride semiconductor is homogenized along the C-axis direction of the seed substrate. It was manufactured by slicing an ingot obtained by epitaxial growth.
具体的には、まず、図2Aの(a)に示すように、結晶成長面である表面10aと表面10aに対向する裏面10bとを有する円形GaN基板10を準備した。なお、図2Aの(b)は、図2Aの(a)に示すA−A線における円形GaN基板10の断面図である。そして、円形GaN基板10は、直径60mm、厚さ0.5mmであり、表面10aがC面である。次に、円形GaN基板10の外周六か所を、M面において劈開した。これにより、図2Aの(c)に示すような種基板としての六角GaN基板12を準備した。
Specifically, first, as shown in FIG. 2A (a), a
この六角GaN基板12は、M面である側面12cで囲まれた直径60mmの正六角形状を呈していた。なお、図2Aの(d)は、図2Aの(c)に示すB−B線における六角GaN基板12の断面図である。六角GaN基板12は、C面である表面12aと裏面12bと複数の側面12cとで囲まれているものの、実質的に、C面である表面12aのみが結晶成長面になる。
The
次に、六角GaN基板12を、HVPE炉内に設置して、六角GaN基板12の表面12a上にGaNをホモエピタキシャル成長させた。ホモエピタキシャル成長の原料は、塩化ガリウム(GaCl)及びアンモニア(NH3)を用い、キャリアガスとしては窒素(N2)ガスを用いた。また、ホモエピタキシャル成長の圧力は略常圧下で実施して、GaClの分圧を1.7kPaに設定すると共に、NH3の分圧を10kPaに設定した。更に、20kPaの分圧の水素(H2)も添加した。そして、ホモエピタキシャル成長の成長温度は1050℃に設定した。
Next, the
上記条件下におけるホモエピタキシャル成長の成長速度は、400μm/hであった。そして、上記条件下で、六角GaN基板12上へのGaNのホモエピタキシャル成長を、24時間実施した。その結果、図2Bの(a)に示すようなGaNのインゴット14が得られた。インゴット14の厚さは約9.4mm、直径は約60mmであった。
The growth rate of homoepitaxial growth under the above conditions was 400 μm / h. Under the above conditions, homoepitaxial growth of GaN on the
図2Bの(b)は、図2Bの(a)に示すC−C線におけるインゴット14の断面図である。実施例1において得られたインゴット14は、先端の表面14aが平坦なC面であり、表面14aの外周の側面14bに6つの{10−11}面が位置していた。すなわち、六角GaN基板12の表面12aにGaNをホモエピタキシャル成長させることにより、ホモエピタキシャル成長の結晶成長方向とは異なる方向に法線を向けている複数の指数面を有するインゴット14が、六角GaN基板12上に自発的に形成されていた。そして、インゴット14中にクラックは存在しておらず、高品質なインゴット14を短時間で製造できることが示された。このインゴット14をスライスすることにより、高品質なIII族窒化物半導体単結晶基板としてのGaN基板が得られる。
2B is a cross-sectional view of the
図3は、本発明の実施例2に係るIII族窒化物半導体基板の製造の流れの概要を示す。 FIG. 3 shows an outline of the flow of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate according to Example 2 of the present invention.
実施例2に係るIII族窒化物半導体単結晶基板は、種基板としてのIII族窒化物半導体基板上に所定形状の開口を有する薄板を重ね、その状態で当該種基板のC軸方向に沿ってIII族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させてインゴットを作製して、作製したインゴットをスライスすることにより製造した。 In the group III nitride semiconductor single crystal substrate according to Example 2, a thin plate having a predetermined shape is stacked on a group III nitride semiconductor substrate as a seed substrate, and in this state, along the C-axis direction of the seed substrate. A group III nitride semiconductor was homoepitaxially grown to produce an ingot, and the produced ingot was sliced.
具体的には、まず、図2Aの(a)及び(b)に示すような、結晶成長面である表面10aと表面10aに対向する裏面10bとを有する円形GaN基板10を準備した。円形GaN基板10は、直径60mm、厚さ0.5mmであり、表面10aがC面である。次に、直径60mmの円形基板形状を呈すると共に、直径55mmの正六角形の開口を有する薄板50を準備した。薄板50は、カーボンから形成された板であり、厚さを0.5mmにした。そして、図3(a)に示すように、円形GaN基板10上に薄板50を重ねた。斯かる場合において、薄板50は、六角形の辺50aと円形GaN基板10のGaNのM面とが平行になるように、円形GaN基板10上に重ねた。
Specifically, first, a
続いて、薄板50を重ねた円形GaN基板10を、HVPE炉内に設置して、薄板50の開口を介して円形GaN基板10上にGaNをホモエピタキシャル成長させた。ホモエピタキシャル成長の原料は、GaCl及びNH3を用い、キャリアガスとしてはN2ガスを用いた。また、ホモエピタキシャル成長の圧力は略常圧下で実施して、GaClの分圧を5kPaに設定すると共に、NH3の分圧を30kPaに設定した。更に、20kPaの分圧のH2も添加した。そして、ホモエピタキシャル成長の成長温度は1050℃に設定した。
Subsequently, the
上記条件下におけるホモエピタキシャル成長の成長速度は、1200μm/hであった。そして、上記条件下で、円形GaN基板10上へのGaNのホモエピタキシャル成長を、18時間実施した。その結果、図3の(b)に示すようなGaNのインゴット20が得られた。インゴット20の厚さは21mm、直径は約55mmであった。
The growth rate of homoepitaxial growth under the above conditions was 1200 μm / h. Under the above conditions, homoepitaxial growth of GaN on the
図3の(c)は、図3の(b)に示すD−D線におけるインゴット20の断面図である。なお、図3(b)及び(c)はそれぞれ、薄板50を取り除いた後の状態を示している。実施例2において得られたインゴット20は、先端の表面20aが平坦なC面であり、表面20aの外周の側面20bに6つの{10−12}面が位置していた。更に、側面20bの外周の側面20cに6つの{10−11}面が位置しており、複数の側面20cから円形GaN基板10に向かって、M面からなる6つの直胴部20dが存在していた。そして、インゴット20中にクラックは存在しておらず、高品質なインゴット20を短時間で製造できることが示された。このインゴット20をスライスすることにより、高品質なIII族窒化物半導体単結晶基板としてのGaN基板が得られる。
FIG. 3C is a cross-sectional view of the
図4A及び図4Bは、本発明の実施例3に係るIII族窒化物半導体基板の製造の流れの概要を示す。 4A and 4B show an outline of the flow of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate according to Example 3 of the present invention.
実施例3に係るIII族窒化物半導体単結晶基板は、実施例2と同様の製造方法で製造したGaNのインゴット20をM面に沿ってスライスして得られたGaN基板を種基板として用い、当該種基板上に所定形状の開口を有する薄板を重ね、その状態で当該種基板のM軸方向に沿ってIII族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させて得られたインゴットのスライスにより製造した。
The group III nitride semiconductor single crystal substrate according to Example 3 uses, as a seed substrate, a GaN substrate obtained by slicing a
具体的には、まず、図4Aの(a)に示すような実施例2において製造されたインゴット20を準備した。そして、M面に沿ってインゴット20をスライスした(すなわち、図4A(a)において、表面20aの法線方向に沿ってインゴット20をスライスした)。次に、図4Aの(b)に示すように、スライスして得た基板の表面及び裏面を研磨することで、M面を表面22aとするGaN基板22を製造した。なお、表面22aが結晶成長面であり、結晶成長面に対向する面が裏面22bである。
Specifically, first, an
次に、長方形の四隅を斜めに切り落とした形状の窓を有する金属製の薄板60を準備した。薄板60は、イリジウムから製造して、厚さを0.5mmにした。そして、図4Aの(c)に示すように、GaN基板22の表面22aに、薄板60を重ねた。ここで、薄板60の窓の短辺60aがGaN基板22のA面に平行であり、長辺60bがGaN基板22のC面に平行であり、斜めに切り落とした斜辺がGaN基板22の{11−22}面に平行になるように、薄板60を円形GaN基板10に重ねた。
Next, a
続いて、薄板60を重ねたGaN基板22を、HVPE炉内に設置して、薄板60の開口を介してGaN基板22上にGaNをホモエピタキシャル成長させた。ホモエピタキシャル成長の原料は、GaCl及びNH3を用い、キャリアガスとしてはN2ガスを用いた。また、ホモエピタキシャル成長の圧力は略常圧下で実施して、GaClの分圧を3.3kPaに設定すると共に、NH3の分圧を20kPaに設定した。更に、20kPaの分圧のH2も添加した。そして、ホモエピタキシャル成長の成長温度は1050℃に設定した。
Subsequently, the
上記条件下におけるホモエピタキシャル成長の成長速度は、800μm/hであった。そして、上記条件下で、GaN基板22上へのGaNのホモエピタキシャル成長を、12.5時間実施した。その結果、図4Bの(a)及び(b)に示すようなGaNのインゴット30が得られた。インゴット30の厚さは10mmであった。
The growth rate of homoepitaxial growth under the above conditions was 800 μm / h. Under the above conditions, GaN homoepitaxial growth on the
図4Bの(b)は、図4Bの(a)に示すインゴット30の側面図である。実施例3において得られたインゴット30の形状は、M面とC面とで囲まれた六角柱を、その中心軸(C軸)に沿ってM面に平行な面で縦半分に割り、それを寝かせた場合に得られるような台形状であり、C面とM面との境界には{10−11}面が発達していた。すなわち、図4Bの(b)において、先端の表面30aが平坦なM面であり、側面30bもM面である。そして、図4B(b)に示すように、インゴット30の手前及び奥の垂直面がC面である。ここでそして、インゴット30中にクラックは存在しておらず、高品質なインゴット30を短時間で製造できることが示された。このインゴット30をスライスすることにより、高品質なIII族窒化物半導体単結晶基板としてのGaN基板が得られる。
FIG. 4B (b) is a side view of the
図5A及び図5Bは、本発明の実施例4に係るIII族窒化物半導体基板の製造の流れの概要を示す。 5A and 5B show an outline of the flow of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate according to Example 4 of the present invention.
実施例4に係るIII族窒化物半導体単結晶基板は、実施例2と同様の製造方法で製造したGaNのインゴット20をA面に沿ってスライスして得られたGaN基板を劈開して得られた基板を種基板として用い、当該種基板のC軸方向に沿って当該種基板上にIII族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させて得られたインゴットのスライスにより製造した。
A Group III nitride semiconductor single crystal substrate according to Example 4 is obtained by cleaving a GaN substrate obtained by slicing a
具体的には、まず、図5Aの(a)に示すような実施例2において製造されたインゴット20を準備した。そして、A面に沿ってインゴット20をスライスした。次に、図5Aの(b)に示すように、スライスして得た基板の表面及び裏面を研磨することで、A面を表面22aとするGaN基板22を製造した。なお、表面22aが結晶成長面であり、結晶成長面に対向する面が裏面22bである。
Specifically, first, an
次に、GaN基板22の外周部をC面及びM面で劈開することにより、図5Aの(c)及び(d)に示すように、C面とM面とで囲まれた25mm×20mmの長方形のGaN基板24を得た。なお、図5Aの(d)は、図5Aの(c)に示すE−E線による断面図である。このGaN基板24の表面24aがA面である。そして、GaN基板24の辺24bが、C面又はM面に平行であり、四隅の辺24cが{10−11}面に平行になっていた。なお、表面24aに対向する面が裏面24bであり、表面24aを結晶成長面にした。
Next, by cleaving the outer peripheral portion of the
続いて、得られたGaN基板24を、HVPE炉内に設置して、GaN基板24上にGaNをホモエピタキシャル成長させた。ホモエピタキシャル成長の原料は、GaCl及びNH3を用い、キャリアガスとしてはN2ガスを用いた。また、ホモエピタキシャル成長の圧力は略常圧下で実施して、GaClの分圧を2.5kPaに設定すると共に、NH3の分圧を15kPaに設定した。更に、20kPaの分圧のH2も添加した。そして、ホモエピタキシャル成長の成長温度は1050℃に設定した。
Subsequently, the obtained
上記条件下におけるホモエピタキシャル成長の成長速度は、600μm/hであった。そして、上記条件下で、GaN基板24上へのGaNのホモエピタキシャル成長を、20時間実施した。その結果、図5Bの(a)及び(b)に示すようなGaNのインゴット40が得られた。インゴット40の厚さは12mmであった。
The growth rate of homoepitaxial growth under the above conditions was 600 μm / h. Under the above conditions, GaN homoepitaxial growth on the
図5Bの(b)は、図5Bの(a)に示すインゴット40の側面図である。実施例4において得られたインゴット40の形状は、M面とC面とで囲まれた六角柱を、その中心軸(C軸)に沿ってA面に平行な面で縦半分に割り、それを寝かせた場合に得られるような三角屋根形状であり、C面とM面との境界には{10−11}面が発達していた。すなわち、図5Bの(b)において、表面40aがM面であり、側面40bもM面である。そして、図5B(b)に示すように、インゴット40の手前及び奥の垂直面がC面である。ここで、インゴット40中にクラックは存在しておらず、高品質なインゴット40を短時間で製造できることが示された。このインゴット40をスライスすることにより、高品質なIII族窒化物半導体単結晶基板としてのGaN基板が得られる。
FIG. 5B (b) is a side view of the
(比較例)
図6は、比較例に係るIII族窒化物半導体基板の製造の流れの概要を示す。
(Comparative example)
FIG. 6 shows an outline of the flow of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate according to a comparative example.
比較例に係るIII族窒化物半導体単結晶基板は、円形GaN基板を種基板として用い、当該種基板のC軸方向に沿って当該種基板上にIII族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させて得られたインゴットのスライスにより製造した。 A group III nitride semiconductor single crystal substrate according to a comparative example is obtained by using a circular GaN substrate as a seed substrate and homoepitaxially growing a group III nitride semiconductor on the seed substrate along the C-axis direction of the seed substrate. The ingot was sliced.
まず、図6(a)に示すような種基板としての円形GaN基板10を準備した。円形GaN基板10の直径は60mmであり、厚さは0.5mmである。そして、円形GaN基板10の表面がC面である。
First, a
次に、円形GaN基板10をそのままHVPE炉内に設置して、円形GaN基板10上にGaNをホモエピタキシャル成長させた。ホモエピタキシャル成長の条件は、実施例1の成長条件と同一にした。その結果、図6(b)に示すようなGaNのインゴット70が得られた。インゴット70は、厚さが約9.4mmであり、直径が約60mmであった。
Next, the
図6(c)は、図6(b)の側面図である。図6(b)を参照すると、インゴット70の先端、すなわち、インゴット70の表面70aは平坦なC面であり、その周囲は略円錐形状であった。ただし、比較例においては、円錐形状部分のうち、六か所の領域70bが{10−11}面で削り落した形状を呈しており、円形GaN基板10から表面70a側に近づくにつれ、徐々に六角形状に近づいていた。そして、領域70bの縁の部分を起点にして、インゴット70には、無数の微細なクラックが発生していることが観察された。更に、ホモエピタキシャル成長中に微細クラックが生じたと考えられ、微細クラックが発生した後、微細クラック上において結晶成長が継続したことに起因して、表面70aの凹凸が非常に激しいことが観察された。
FIG. 6C is a side view of FIG. Referring to FIG. 6B, the tip of the
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 While the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples described above do not limit the invention according to the claims. It should be noted that not all combinations of features described in the embodiments and examples are necessarily essential to the means for solving the problems of the invention.
10 円形GaN基板
10a 表面
10b 裏面
12 六角GaN基板
12a 表面
12b 裏面
12c 側面
14 インゴット
14a 表面
14b 側面
20 インゴット
20a 表面
20b 側面
20c 側面
20d 直胴部
22 GaN基板
22a 表面
22b 裏面
24 GaN基板
24a 表面
24b 辺
24c 辺
24d
30 インゴット
30a 表面
30b 側面
40 インゴット
40a 表面
40b 側面
50 薄板
50a 辺
60 薄板
60a 短辺
60b 長辺
60c 斜辺
70 インゴット
70a 表面
70b 領域
10
30
Claims (10)
前記結晶成長面上にIII族窒化物半導体単結晶をエピタキシャル成長させる結晶成長工程と
を備え、
前記結晶成長工程は、自発的に形成された低指数面からなる複数の結晶表面で囲みながら前記III族窒化物半導体単結晶を成長させる工程であり、前記低指数面は、結晶面を表す個々の面指数がいずれも3以下であるIII族窒化物半導体単結晶の製造方法。 A seed substrate preparation step of preparing a seed substrate made of a group III nitride semiconductor and having a single index plane crystal growth surface;
A crystal growth step of epitaxially growing a group III nitride semiconductor single crystal on the crystal growth surface,
The crystal growth step is a step of growing the group III nitride semiconductor single crystal while being surrounded by a plurality of spontaneously formed low index planes, and the low index plane is an individual crystal plane. A method for producing a group III nitride semiconductor single crystal having a plane index of 3 or less.
前記低指数面は、指数面を{hklm}(但し、h、k、l、mは、いずれも整数)で表した場合に、h、k、l、及びmの絶対値がいずれも3以下である請求項1に記載のIII族窒化物半導体単結晶の製造方法。 The group III nitride semiconductor is a hexagonal nitride semiconductor,
In the low index plane, when the index plane is represented by {hklm} (where h, k, l and m are all integers), the absolute values of h, k, l and m are all 3 or less. The method for producing a group III nitride semiconductor single crystal according to claim 1.
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